بررسي برداشت انرژي از ارتعاشات تير ذوزنقه‌اي با يك لايه پيزوالكتريك با استفاده از روش پارامترهاي توزيع شده

Energy Harvesting Investigation from Unimorph Trapezoidal Beam Vibrations using Distributed Parameters Method

نياز به تامين انرژي مدارهاي كم مصرف الكترونيكي نظير سنسورها و سيستم هاي بي‌سيم در سال هاي اخير مورد توجه محققان زيادي قرار گرفته است.وزن زياد، عمر محدود باتري ها و همچنين مشكل تعويض آن‌ها، دلايل اصلي براي برداشت انرژي الكتريكي از منابع انرژي محيطي است. در ميان منابع مختلف انرژي محيطي، ارتعاشات مكانيكي به دليل در دسترس بودن، رواج زيادي پيدا كرده است. از بين روش-هاي گوناگون برداشت انرژي از ارتعاشات محيطي، روش پيزوالكتريك به دليل داشتن تاثيرات مساعد كوپل الكتريكي-مكانيكي از روش هاي خوب برداشت انرژي است. متداول ترين وسيله برداشت كننده انرژي از ارتعاشات، تير يكسرگيردار با يك يا چند لايه پيزوالكتريك است.در مقاله حاضر، توليد انرژي الكتريكي از ارتعاشات تير يكسرگيردار ذوزنقه اي اويلر-برنولي، با يك لايه پيزوالكتريك و تحريك پايه، با استفاده از روش پارامترهاي توزيع شده بررسي مي گردد. در ابتدا، معادلات حركت سيستم به صورت تحليلي به دست آمده و سپس با استفاده از روش مودهاي فرضي (مربوط به تير مستطيلي)، فركانس هاي طبيعي سيستم محاسبه شده و نمودارهاي مربوط به ولتاژ، جريان و توان ارايه گرديده اند. جهت صحه گذاري بر نتايج به دست آمده، نمودارهاي ولتاژ، جريان و توان براي پيكره بندي ذوزنقه اي نزديك به پيكره بندي مستطيلي، كه نتايج آن در مراجع منتشر شده است، مورد مقايسه قرار مي گيرد. در ادامه، پارامترهاي عملكردي برداشت كننده انرژي با پيكره-بندي ذوزنقه‌اي، با تغييرات مقدار مقاومت مصرف كننده انرژي مورد تجزيه و تحليل قرار مي گيرد.

In recent years, the need for low power electronic circuits like sensors and wireless systems has been considered by many researchers. Excessive weight, limited lifetime of the batteries and also the problem of replacing them, are the main reasons for harvesting energy from ambient vibrations. Among the various sources of environmental energy, mechanical vibrations have gained in popularity due to their availability. Between the different methods of ambient vibration energy harvesting, piezoelectric method, is one of the good ways to harvest energy due to the favorable effects of electromechanical coupling. The most common means of harvesting energy from vibrations is a cantilevered beam with one or more piezoelectric layers. In the present paper, electrical energy harvesting from Euler-Bernoulli trapezoidal cantilevered unimorph beam with base excitation using distributed parameter method has been considered. First, equations of motion are analytically obtained and then using Assumed modes method(for rectangular beam), system’s natural frequencies are calculated and output voltage, current and power diagrams are presented. For verifying results, presented voltage, current and power output diagrams for trapezoidal configuration close to rectangular configuration, the results of which are published in references, will be compared. Then, functional parameters for trapezoidal energy harvester with resistance value changes for energy consumer have been analyzed.